Quarks nell'evoluzione dell'Universo

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12/01/2014 05:12 - 09/02/2017 15:15 #121 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Quarks nell'evoluzione dell'Universo
Quarks nell'evoluzione dell'Universo
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Per domande: autore o Domanda a un esperto
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La Flagellazione di Cristo (figura 1) di Piero della Francesca (1412-92) è un alto e palese esempio di integrazione tra Arte e Scienza in un respiro di Cultura umana nel senso più ampio. La scena è dominata dalle tre figure di “uomini” in primo piano, rappresentate con Arte eccelsa nello spirito dell’ Umanesimo e inserite in uno spazio strutturato e scandito secondo le rigorose leggi di una Prospettiva che semplicemente “è” Geometria: la Scienza aveva infine trovato come tradurre nelle 2 dimensioni di un piano la visione delle tre dimensioni spaziali. Da allora una tale integrazione culturale è diventata rara. Nell’ambito stesso della Scienza, l’esigenza di specializzazione ha allontanato tra loro perfino discipline scientifiche contigue, in una misura non sempre giustificata.
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Fig. 1. Piero della Francesca, La flagellazione di Cristo (1464)
Galleria Nazionale delle Marche, Urbino
Immagine Wikipedia
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In Arte, un Piero della Francesca artista-scienziato di oggi non ricorrerebbe alla sola Geometria. Già all’inizio del secolo scorso il Cubismo decostruì la prospettiva geometrica sostituendola con una onnicomprensiva visione mentale. Le illusioni ottiche insegnarono poi che è ingenuo parlare di “realtà visiva” in un senso materiale: la visione integra mondo fisico, occhio come trasduttore di luce in segnali elettrici nervosi e meccanismi cerebrali di ricostruzione dell’immagine. La globalità del processo visivo è stata così chiaramente riflessa in particolare nelle opere di Victor Vasarely (1906-97), come argomentato in Pensare in quantistico .

Nella Scienza, sta riprendendo la consapevolezza che vi sono problematiche scientifiche da affrontare in modo integrato, facendo svanire il confine tra discipline. Perché quindi non offrirci il piacere di vedere in modo organico argomenti correntemente considerati come “appartenenti” a discipline scientifiche etichettate diversamente quali Cosmologia, Astrofisica, Fisica delle particelle e Fisica nucleare?

Gli articoli del gruppo Storie di quarks nel programma globale di Saggi tematici sulla Fisica moderna sono volti a dare sinteticamente una visione unitaria di argomenti il cui legante concettuale è il trattare di “insiemi di quarks”. Il filo conduttore della loro sequenza è illustrato in questo primo articolo e consiste nel seguire la linea temporale dell’evoluzione dell’Universo. Interazione forte , Simmetrie: protoni, neutroni, … quarks e Viaggio nei colori: quarks e gluoni sono da considerare propedeutici.
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Fig. 2. Espansione-raffreddamento-condensazione
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Little bang in cucina

Mettiamo sul fuoco una pentola a pressione e osserviamo un “little bang” in cucina (figura 2), seguendolo in tempo e fasi. Quando all’aumentare della temperatura la pressione del vapore acqueo (costituito da invisibili molecole isolate) eccede la taratura della valvola di sicurezza, il vapore esce e, nella “espansione” accompagnata da raffreddamento che segue nel tempo, le molecole condensano nelle minuscole goccioline che vediamo sotto forma di nebbia. Con il decrescere della temperatura (grandezza macroscopica ( corrispondente all’energia delle particelle) l’energia di agitazione termica è diventata troppo debole per contrastare efficacemente le forze attrattive proprie del legame liquido e l’acqua è passata da una “fase” gassosa a una liquida. Nella metodologia della Termodinamica, l’acqua è in fase gassosa o liquida secondo il punto in cui è in un “ diagramma di fase ”. Esso ha sugli assi delle ascisse e delle ordinate due delle variabili termodinamiche (pressione, volume e temperatura), mentre la terza resta un parametro a parte.

Abbiamo evidenziato la sequenza espansione-raffreddamento-condensazione, notato che a seguito del raffreddamento prevalgono le forze attrattive proprie di una nuova fase e introdotto il diagramma di fase. Questa visione sintetica è di carattere generale e può essere tenuta presente come analogia anche a casi di gran lunga più complessi: il “canovaccio” è lo stesso, cambiano gli attori e le leggi fisiche che regolano il processo. Come nella “ Commedia dell'arte " la trama (o canovaccio) dell'azione scenica era la stessa e serviva da guida agli attori per la recitazione, diversa di volta in volta. Non è solo un riferimento storico-culturale: i grandi comici danno vita continua alla Commedia dell'arte. Lo fece il Principe Antonio de Curtis diventando Totò e schermando la sua profondità sotto la maschera della comicità, come esce a nudo nella famosa " preghiera del clown ".

Fig. 3. L’espansione dell’Universo Immagine Guide to the Nuclear Wallchart

Quarks e espansione dell’Universo

Con Leucippo e Democrito è iniziata una linea d’indagine, prima speculativa e poi scientifica, volta a comprendere la struttura della materia ordinaria procedendo nel tempo dal macroscopico verso il sempre più microscopico. Essa è discussa nel gruppo di articoli su Dove ci porta la concezione atomistica?. Grazie al “senno del poi” l’insieme di articoli procede in senso inverso, come con un Lego prima smontato per conoscerlo e poi ricomposto. La sequenza degli articoli ripercorre così la strada seguita dalla Natura nell’espansione dell’Universo dopo il cosiddetto “Big Bang” fino alla formazione del mondo in cui viviamo secondo la moderna Cosmologia . Essa è sinteticamente mostrata in figura 3. Nelle varie fasi di espansione e conseguente raffreddamento, si sono creati stati di aggregazione correntemente studiati nelle discipline Fisica delle particelle, Fisica nucleare e Astrofisica. Come fa la Natura, voleremo senza curarcene sopra ai confini tra le convenzionali discipline scientifiche. La sequenza degli articoli ripercorrerà così le fasi degli insiemi di quarks.

Quarks e gluoni: c’era una volta … tratta del primordiale “plasma di quarks e gluoni”. In Protone, pione& adroni con i quarks sono idealmente ricostruiti gli "adroni" (protoni, neutroni, mesoni, …) e infine negli articoli su Nucleo atomico: fenomenologia e Nucleo atomico: legame lo sono i nuclei atomici. Proseguendo nella linea temporale della Natura, la serie termina illustrando in Implosione gravitazionale e Supernovae , Neutrini e Supernovae e Stelle di neutroni e Buchi neri i possibili “stati finali” della “materia di quarks” nel Cosmo e i cataclismi cosmici alla loro origine.
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Fig. 4. Diagramma di fase degli insiemi di quarks
Immagine The Nuclear Wallchart
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Quarks e diagramma di fase

La figura 4 rappresenta il “diagramma di fase” proprio degli insiemi di quarks, con la densità (inversamente proporzionale al volume) sull’asse delle ascisse e la temperatura su quello delle ordinate. Abbiamo visto sopra come la sequenza degli articoli segue la linea temporale degli insiemi di quarks nell’espansione dell’Universo. Situamoli ora in un diagramma di fase.

Negli istanti iniziali della vita di un Universo ancora dominato dall’energia, da energia pura si formarono materia e antimateria in eguali proporzioni. La densità di energia e la temperatura erano altissime e l’agitazione termica impediva a quarks e antiquarks di condensarsi in strutture più complesse: la materia nucleare è nata in una fase di “plasma di quarks e gluoni” e in particolare nella zona indicata in figura 3 come “early universe”. La discuteremo in Quarks e gluoni: c’era una volta … .

Noi abitiamo nella zona del diagramma di fase indicata come “normal nuclei”, nella quale essi possono esistere con i loro protoni e neutroni grazie al fatto che l’Universo si è espanso e raffreddato. Lo vedremo in Protone, pione & adroni e negli articoli su Nucleo atomico: fenomenologia e Nucleo atomico: legame .

Nella “vita professionale” le stelle brillano ed emettono energia come il nostro Sole. Anche le stelle finiscono la loro “benzina”, il loro combustibile nucleare, e allora l’attrazione gravitazionale prende il sopravvento. Nella conseguente contrazione è liberata energia potenziale gravitazionale: andando “in pensione” le stelle iniziano così una nuova vita, che può essere ancora più straordinaria e immaginifica. Vediamolo riducendo la complessità e varietà dei fenomeni a poche cose. Inizialmente l’energia liberata infiamma le periferie della stella, facendola diventare una “ Gigante rossa ”. Le stelle di piccola massa diventano poi “ Nane bianche ” al centro di ” Nebulose planetarie ”. Se la massa iniziale è superiore a circa 8 volte la massa del Sole, l’attrazione gravitazionale determina invece un drammatico collasso stellare (una “implosione”), che porta a concentrare masse enormi in volumi di dimensioni ridicole relativamente alla scala dell’Universo visibile.

In Implosione gravitazionale e Supernovae e Neutrini e implosione gravitazionale vedremo come l’energia potenziale gravitazionale liberata nell’implosione fa improvvisamente “esplodere” nel cielo una stella di straordinaria luminosità, che splendendo sfiorisce come una rosa del Cosmo: una “ Supernova ”. Nel contempo, se la massa non è troppo elevata (un attimo e vedrete) il processo porta a una “ Stella di neutroni ”, che nel diagramma di fase si situa nello stato indicato come “neutron star”. Se la massa iniziale è almeno circa 25 masse solari, vi sono addirittura le condizioni per il formarsi di quell’unicum nel Cosmo che sono i “ Buchi neri ”. E’ questa una parola che accende l’immaginazione ed è diventata mito mediatico del Cosmo: è bastata la loro proprietà di “mangiare tutto quello che passa loro vicino” ingrossando a dismisura, un po’ come i pescicani sono diventati (a torto, per chi li conosce) mito mediatico del mare. Vedremo che i Buchi neri sono molto di più di quanto si può intuire senza conoscenze scientifiche. Essi sono una frontiera della conoscenza, ove la Scienza confina con la Fantascienza senza che questo confine sia ancora chiaro.


Olive e patatine

Abbiamo avuto olive e patatine. Ora inizia il banchetto.


Collaborazione didattica

Sono grato a Clara Guadagni per l'acuta lettura critica di questo e degli articoli qui presentati, come in passato di altri.


Collegamenti

The particle adventure (anche in italiano )
Contemporary Physics Education Project (CPEP)
The ABC of Nuclear Science , Lawrence Berkeley Laboratory (USA)
Guide to the Nuclear Wallchart , Contemporary Physics Education Project (CPEP)
Phases of nuclear matter , Guide to the Nuclear Wallchart , Contemporary Physics Education Project (CPEP)

Paolo Strolin

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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 09/02/2017 15:15 da Paolo.

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